NSF-DFG MISSION: INCUBATOR - Erforschung der Grenzflächenchemie in Sulfid-basierten Festkörperbatterien durch weiche und harte Röntgenspektroskopie unter Betriebsbedingungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Philipp Adelhelm; Professor Dr.-Ing. Marcus Bär; Elmar Kataev, Ph.D.; Katherine Mazzio, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 542015736

Festkörperbatterien (SSBs) bieten durch die Verwendung von Li-Anoden hohe Energiedichten und verbessern die Sicherheit durch den Verzicht auf Flüssigelektrolyte. Schichtoxide werden häufig als aktive Kathodenmaterialien (CAMs) in SSBs verwendet, die Kapazität sowie die chemische Stabilität gegenüber Festelektrolyten ist aber begrenzt. Sulfid-CAMs sind attraktive Alternativen. In der Regel führen sie zu geringeren Zellspannungen, gleichen den Verlust in Energiedichte aber durch eine höhere Kapazität über reversible Anionen-Schwefel-Redoxreaktionen aus. Vor kurzem wurde CuS als CAM untersucht. Die Reaktion von CuS mit Lithium läuft dabei über einen einzigartigen Verdrängungsmechanismus ab, welcher zu einer Phasenseparation führt. Es wird angenommen, dass dies auf die ähnlichen Radien von Li+ und Cu+ zurückzuführen ist, die Details des zugrunde liegenden Redoxmechanismus sind jedoch unklar. Dies und die mögliche Verwendung von Li-Metallanoden erfordern geeignete Werkzeuge, um die Redoxprozessen mit elementarer Auflösung im Betrieb zu untersuchen. Synchrotron-basierte Methoden ermöglichen Operando-Studien an versteckten Grenzflächen durch Röntgenspektroskopiemethoden wie HAXPES, XAS und RIXS. Die operando-Untersuchung von SSBs ist wichtig, da Post-Mortem-Analysen durch Relaxationseffekte und durch die hohe Reaktivität von S- und Li-haltigen Verbindungen verfälscht werden können. Für SSBs gibt es bisher keine gemeinsame Probenplattform, die Operando-Studien mit dieser Kombination von Röntgenspektroskopien ermöglicht. So ist es eine große Herausforderung, geeignete Fenster für den Durchtritt von Röntgenstrahlen und Elektronen zu entwickeln und gleichzeitig die Funktion der SSBs aufrechtzuerhalten, da diese bei erhöhten Drücken (i.d.R. 5–70 MPa) betrieben werden müssen. In INCUBATOR werden wir die in Sulfid-CAMs ablaufenden Redoxprozesse unter Einsatzbedingungen bestimmen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist die Entwicklung einer multimodalen Operando-Zelle erforderlich, die Experimente mit hoher Energieauflösung auf verschiedenen Längenskalen durch HAXPES, XAS und RIXS ermöglicht. Mit diesen Methoden können elektrochemischer Prozesse und Abbauprozesse an Elektroden/Elektrolyt-Grenzflächen bestimmt werden, einschließlich 1) die Unterscheidung von Schwefel-Redoxprozessen in CAMs und möglichen Zersetzungsprozessen mit dem Festelektrolyten, 2) die Bestimmung des Reaktionswegs in CuS-CAMs während des Ladens/Entladens, und 3) die Untersuchung der Li-Abscheidung in einer anodenfreien Zellkonfiguration. Das Erreichen der Ziele ist eine Herausforderung, jedoch entscheidend für die Entwicklung von CAMs mit reversiblem Schwefelanionen-Redox, die stabile SEIs. Der in diesem Projekt entwickelte Workflow und die multimodale Operando-Plattform können zur Weiterentwicklung verschiedener elektrochemischer Festkörpersysteme genutzt werden und bieten gleichzeitig die Möglichkeit, den Einsatz mit minimalen Designänderungen auf andere Techniken wie SEM oder XRD auszudehnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Partnerorganisation: National Science Foundation (NSF)
• Mitverantwortlich(e): Professorin Dr. Annika Bande
• Kooperationspartner: Professor Dr. Jinghua Guo; Wanli Yang, Ph.D.